Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8623:2010 Than - chọn phương pháp xác định các nguyên tố dạng vết

• Số hiệu: TCVN8623:2010
• Loại văn bản: Tiêu chuẩn Việt Nam
• Nơi ban hành: ***
• Người ký: ***
• Ngày ban hành: Năm 2010

AAS	Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (atomic absorption spectrometry)
AFS	Phép đo phổ huỳnh quang nguyên tử (atomic fluorescence spectrometry)
CVAAS	Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử hơi-lạnh (cold-vapour atomic absorption spectrometry)
GFAAS	Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử lò-graphit (graphite-furnace atomic absorption spectrometry)
IC	Sắc ký ion (ion chromatography)
ICP-AES	Quang phổ phát xạ nguyên tử plasma ghép nối cảm ứng (inductively coupled plasma atomic emission spectrometry)
ICP-MS	Quang phổ khối plasma cảm ứng (inductively coupled plasma mass spectrometry)
INAA	Phân tich bảng thiết bị kích hoạt nơtron (instrumental neutron activation analysis)
ISE	Điện cực chọn lọc ion (ion selective electrode)
XRF	Phép đo phổ huỳnh quang tia-X (X-ray fluorescence spectrometry)

5. Giải thích phương pháp

5.1. Qui định chung

Tóm tắt các ứng dụng kỹ thuật có thể áp dụng để xác định từng nguyên tố dạng vết được nêu dưới đây. Sơ đồ qui trình được sử dụng để xác định nguyên tố dạng vết được nêu tại Phụ lục A.

Điều quan trọng là hàm lượng ẩm của mẫu được xác định để có thể tính toán kết quả ở trạng thái không phải “khô-không khí".

CHÚ THÍCH 1: Có các qui trình phân tích có thể áp dụng cho than chưa tro hóa. Phương pháp áp dụng nêu tại Phu lục B.

CHÚ THÍCH 2: Bo, clo, flo, thủy ngân và selen được giải phóng khi tro hóa than, vì vậy, không xác định được nồng độ của các nguyên tố này trong than bằng cách phân tích tro chuẩn bị trong phòng thử nghiệm.

Khi qui trình phân tích yêu cầu tro hóa than, thì điều quan trọng là xác định lượng tro để có thể tính toán hàm lượng các nguyên tố dạng vết trong mẫu than, xem Điều 7. Qui trình tro hóa được nêu tại TCVN 7985 (ISO 15238)^[6]. Than được tro hóa trong các đĩa silica hoặc thạch anh, hoặc trong các chén bằng platin hoặc hợp kim platin, trong lò tro hóa thông thường. Nhiệt độ lò được tăng lên từ nhiệt độ môi trường đến tối đa là 500 °C, trong thời gian từ 1 h đến 3 h và duy trì tại nhiệt độ này cho đến khi vật liệu cac bon được oxy hóa hoàn toàn trong thời gian tối đa là 18 h. Tốc độ đốt được lựa chọn để không gây bốc cháy và tránh thất thoát cơ học đối với mẫu.

5.2. Asen và selen

Asen và selen được xác định bằng cách phát sinh hydrua/hấp thụ nguyên tử hoặc các phương pháp huỳnh quang nguyên tử sau khi tro hóa than ở nhiệt độ 800 °C với sự tham gia của hỗn hợp Eschka và hòa tan bằng axit clohydric. TCVN 7986 (ISO 11723)^[3] là phương pháp được khuyến cáo để xác định asen và selen trong than.

...

...

...

5.3. Bo

Bo được xác định bằng phương pháp ICP-AES sau khi tro hóa than tại nhiệt độ 800 °C với sự tham gia của hỗn hợp Eschka và hòa tan bằng axit clohydric, xem AS 1038.10.3^[7] . Qui trình hòa tan này tương tự như qui trình áp dụng đối với asen và selen, qui trình được nêu trong TCVN 7986 (ISO 11723)^[3].

5.4. Antimon, berili, cadimi, crom, coban, đồng, chì, mangan, molybden, niken, tali, vanadi, kẽm, thori và uran

5.4.1. Qui định chung

Antimon, berili, cadimi, crom, coban, đồng, chì, mangan, molybden, niken, tali, vanadi, kẽm, thori và uran được xác định bằng các kỹ thuật quang phổ khác nhau (xem ASTM D 6357^[10]).

CHÚ THÍCH 1: Rất nhiều các nguyên tố dạng vết có thể được xác định băng XRF, tuy nhiên nói chung độ nhạy rất thấp để xác định chính xác berili, cadimi. tali, thori và uran bằng XRF.

Các qui trình khuyến nghị được tóm tắt dưới đây:

a) Mẫu than được tro hóa tại tại nhiệt độ lớn nhất là 500 °C để chuyển hóa các phần cacbon;

b) Tro được chuẩn bị trong phòng thử nghiệm được hòa tan bằng cách nấu chảy với hỗn hợp liti metaborate và liti tetraborate (xem AS 1038.14.3^[8]) hoặc bằng hỗn hợp các axit (axit nitric, clohydric và flohydric). Các qui trình hòa tan này có thể áp dụng để phân tích tro than. Chú ý là thori và uran có thể tạo thành các florua không tan và đặc biệt chú ý để tránh sự xuất hiện của axit flohydric. Có thể xác định thori và uran trong vòng 2 h chuẩn bị dung dịch axit trộn với tro than hoặc florua có thể bị loại do bay hơi.

...

...

...

c) Nồng độ của các chất phân tích trong dung dịch được xác định bằng các kỹ thuật quang phổ. Thông thường áp dụng phương pháp AAS. Hiện nay đã được thay thế bằng phương pháp ICP- AES, phương pháp được sử dụng để xác định phần lớn các nguyên tố này, trừ antimon, cadimi, chì, tali, thori và uran. Sáu nguyên tố này xuất hiện trong than với các nồng độ rất thấp, khó xác định bằng ICP-AES, nhưng có thể xác định được chính xác bằng ICP-MS.

CHÚ THÍCH 2: Cadimi (xem ISO 15238) và chì cũng có thể xác định bằng GFAAS.

5.4.2. Các chất phóng xạ nuclit

Các chất phóng xạ nuclit có trong than một cách tự nhiên. Tính phóng xạ của các nguyên tố này có thể đo được bằng cách sử dụng phổ gama có độ phân giải-cao, tham khảo Fardy^[14]. Tính phóng xạ này do sự phân rã của ^238U. ^235U, ^232Th, và các hạt nhân con, cũng như ^40K, và ^87Rb.

5.5. Clo

Có thể xác định clo theo nhiều phương pháp, bao gồm TCVN 5230 (ISO 587)^[1] và ASTM D 4208^[9]. Các qui trình này đòi hỏi than phải được đốt và clo sẽ bị giữ lại trong hỗn hợp Eschka hoặc trong dung dịch kiềm. Các phương pháp này kém độ nhạy và nếu xác định theo các qui trình này độ lặp lại sẽ cao. Dung dịch này thu được bằng phương pháp nhiệt phân (xem 5.6) có thể sử dụng để đo clo theo phương pháp IC hoặc ICP-AES. Việc sử dụng XRF có thể là phương pháp thực tế và chính xác để xác định trực tiếp clo trong than.

CHÚ THÍCH: Thông thường không báo cáo kết quả clo là nguyên tố dạng vết, mà báo cáo là phần tử nhỏ và biểu thị bằng phần trăm

5.6. Flo

Áp dụng TCVN 7987 (ISO 11724)^[4] để xác định flo. Phương pháp này là qui trình nhiệt phân/ISE hoặc nhiệt phân/IC. Có thể sử dụng qui trình này để xác định tro than. Khoa học đã chứng minh rằng các phương pháp dựa trên sự phân hủy của than cùng với qui trình đốt bằng bom oxy có thể cho các kết quả thấp.

...

...

...

Áp .dụng TCVN 7984 (ISO 15237)^[5] để xác định thủy ngân. Trong qui trình này than được đốt trong bom oxy và thủy ngân giải phóng được hấp thụ trong dung dịch axit nitric loãng. Có rất nhiều qui trình hiện hành khác, chính xác để xác định thủy ngân. Có thể xử lý than với các axit, có thể đốt trong bình áp lực trong lò vi sóng, hoặc trong bình kín trong bể nước được gia nhiệt, hoặc bằng cách cho chảy ngược với hỗn hợp các axit nitric và axit sulfuric, xem ASTM D 6414^[11]. Cũng có các phương pháp đo bằng thiết bị, trong đó than được đốt cháy và thủy ngân giải phóng được hấp phụ vào bộ thu bằng vàng, sau đó thủy ngân được giải phóng bằng nhiệt, nồng độ thủy ngân được xác định theo phương pháp CVAAS; xem ASTM D 6722^[12].

6. Sử dụng chất chuẩn được chứng nhận

Việc sử dụng các chất chuẩn được chứng nhận (CRMs) phù hợp là đặc biệt quan trọng khi kiểm tra tính chính xác của các phương pháp để xác định các nguyên tố dạng vết có trong than, xem ISO Guide 33. Có sẵn CRMs cho than và yêu cầu phải đảm bảo rằng không bị thất thoát các chất phân tích trong quá trình tro hóa theo bất kỳ phương pháp nào. Có thể sử dụng CRMs cho tro than đối với các phương pháp này và yêu cầu việc tro hóa than là một phần của qui trình.

Bắt buộc phải đánh giá phương pháp đã chọn để xác định các nguyên tố dạng vết, đảm bảo bằng cách sử dụng các qui trình tại TCVN 6910 (ISO 5725) (tất cả các phần) và việc đánh giá phương pháp được lập thành văn bản.

Khuyến cáo là CRM được phân tich cho từng loạt mẫu và kết quả của phép phân tích này được báo cáo đối với mẫu thử, kèm theo báo cáo các giá trị được chứng nhận hoặc khuyến nghị.

7. Tính toán kết quả

Nồng độ của nguyên tố X, C_{x, than khô}, biểu thị băng miligam trên kilogam than ở trạng thái khô, trong đó chất phân tích đã xác định không bao gồm quá trình tro hóa mẫu, tính theo Công thức (1):

C_{x, than khô} = C_{x, than ad} x

(1)

...

...

...

Mad

là hàm lượng ẩm của than khô-không khí, tính bằng phần trăm;

C_{x, than ad}

là nồng độ của nguyên tố X trong than, tính bằng miligam trên kilogam, ở trạng thái khô-không khí

Tính C_{x, than ad} đối với than ở trạng thái khô-không khí, khi mẫu đã được tro hóa trước khi xác định chất phân tích theo Công thức (2):

C_{x, than ad} = C_{x, tro} x

(2)

trong đó

C_{x, tro}

...

...

...

A₅₀₀

là lượng tro tại 500 ^oC.

Bảng 1 - Dải nồng độ của các nguyên tố dạng vết trong than thương phẩm và các giới hạn phát hiện và độ chụm yêu cầu đối với phép phân tích

Nguyên tố

Dải nồng độ ^a,^b mg/kg^c

Giới hạn phát hiện yêu cầu, mg/kg^c

Độ chụm yêu cầu^d mg/kg^c

As

0,5 đến 5,0

...

...

...

0,1

B

5 đến 400

5

5

Be

0,1 đến 20

0,1

0,1

...

...

...

0,05 đến 0,090

0,01

0,005

Cl^e

<0,01 đến 0,2 %

0,01 %

0,01 %

Co

0,5 đến 30

...

...

...

1

Cr

0,5 đến 60

1

1

Cu

0,5 đến 50

1

1

...

...

...

20 đến 500

50

10

Hg

0,01 đến 1,0

0,01

0,005

Mn

5 đến 300

...

...

...

1

Mo

0,1 đến 10

1

0,1

Ni

0,5 đến 50

1

1

...

...

...

2 đến 80

1

1

Sb

0,1 đến 10

0,1

0,1

Se

0,2 đến 10

...

...

...

0,1

Th

0,5 đến 10

0,1

0,1

TI

0,1 đến 10

0,1

0,1

...

...

...

0,5 đến 10

0,1

0,1

V

2 đến 100

1

1

Zn

5 đến 300

...

...

...

1

^a Theo Swaine ^[^5^].

^b Các dải chỉ hiển thị.

^c Trừ trường hợp hiển thị theo phần trăm.

^d Độ chụm yêu cầu là được hiển thị hoặc tương ứng 10 % (lấy giá trị lớn hơn).

^e Báo cáo clo theo phần trăm.

9. Báo cáo kết quả

Các kết quả được báo cáo đến các số thập phân như nêu tại Bảng 2. Báo cáo ký hiệu các nguyên tố dạng vết theo bảng thứ tự chữ cái, trừ trường hợp clo, nguyên tố này thường không được báo cáo là nguyên tố dạng vết.

Bảng 1 - Báo cáo kết quả

...

...

...

Dải nồng độ, mg/kg^a

Báo cáo, chính xác đến mg/kg^b

As, Sb, Se

0,1 đến 10

0,1

B

5 đến 50

5

...

...

...

10 % tương đối

Be

0,1 đến 10,0

0,1

Cd, Hg

0,01 đến 0,10

0,01

Cl

0,01 % đến 0,15%

...

...

...

F

< 100

1

100 < C_F < 500

5

Co, Cr, Cu, Mn, N, TI, Zn

1 đến 10

0,1

...

...

...

>10

10 % tương đối

Pb

4,5 đến 9,5

0,1

Th, u

0,1 đến 10

0,1

^a Trừ trường hợp hiển thị theo phần trăm

...

...

...

^b Trừ trường hợp hiển thị theo cách khác

10. Độ chụm

Độ chụm của phép đo được nêu tại Bảng 1.

11. Báo cáo thử nghiệm

Báo cáo thử nghiệm gồm các nội dung sau:

a) nhận dạng đầy đủ về mẫu thử;

b) viện dẫn phương pháp sử dụng;

c) nồng độ của từng nguyên tố trong than, biểu thị bằng miligam trên kilogam;

d) cơ sở để báo cáo, ví dụ: khô-không khí;

...

...

...

PHỤ LỤC A

(tham khảo)

SƠ ĐỒ PHÂN TÍCH CÁC NGUYÊN TỐ DẠNG VẾT

CHÚ THÍCH: Độ chính xác của các qui trình đã nêu có thể đảm bảo bằng cách phân tích CRMs thích hợp.

^a Nếu phân tích tro của mẫu-nhỏ, xác định phần trăm tro để có thể tính các kết quả ở các trạng thái của than

^b Có thể sử dụng dung dịch pha loãng nhận được bằng cách nung chảy borat đối với phép đo bằng ICP-MS nếu độ nhạy nhận được bằng hoặc tốt hơn độ nhạy nêu tại Bảng 1.

^c Sơ đồ phân tích biểu thị bằng đường đứt nét thể hiện là hòa tan than bằng axit hỗn hợp. Đây là phương pháp khác để tro hóa than trước khi hòa tan.

...

...

...

PHỤ LỤC B

(tham khảo)

CÁC PHƯƠNG PHÁP HÒA TAN THAN

Các qui trình nêu tại các tiêu chuẩn khác và các tài liệu khoa học (xem thư mục tham khảo) có thể sử dụng để nung cả than và tro than để chuẩn bị các dung dịch sử dụng cho phép xác định các nguyên tố dạng vết bằng nhiều phương pháp kỹ thuật phân tích khác nhau như ICP-AES và ICP-MS.

Hầu hết các qui trình đều yêu cầu hòa tan tro than bằng cách nấu chảy hoặc bằng hỗn hợp axit bao gồm cả HF. Hầu hết các qui trình có thể được sử dụng để hòa tan than đều cần phải sử dụng HF trong hỗn hợp axit và cũng sử dụng H₂O₂ để oxy hóa tạp chất cacbon trong than, ví dụ : CEN/TS 15297^[13]. Có một qui trình hòa tan than không cần sử dụng HF là phương pháp của Wang^[16].

Sự cần thiết sử dụng HF đã được tranh luận rất nhiều. Quan điểm về nội dung này là tất cả các chất phân tích được giải phóng ra từ nền chất khoáng khi không có axit HF. Wang^[16] ghi lại rằng tại nhiệt độ và áp suất cao nhận được trong quy trình sử dụng sóng micro, không cần sử dụng HF.

Đồng thời các ưu điểm và yếu điểm của các phương pháp dựa trên cơ sở hòa tan than cũng đã được tranh luận, và các phương pháp đó yêu cầu cần tro hóa than trước khi hòa tan tro.

Có một vài ưu điểm khi hòa tan than trực tiếp trong axit để thu được các dung dịch, trong đó các chất phân tích có thể xác định được, vấn đề quan trọng ở chỗ là liệu các chất phân tích có bị giải phóng từ các tạp chất cacbon của than trong quá trình đốt cùng axit hỗn hợp và H₂O₂ không. Ngược lại, có luận cứ cho rằng quá trình tro hóa than có thể dẫn đến nhiễm tạp chất và cũng có thể thất thoát một vài nguyên tố dạng vết. Sự nhiễm tạp chất là mối nguy hiểm đối với tất cả các qui trình sử dụng để phân tích các nguyên tố dạng vết và phải quản lý được mối nguy hiểm này. Cũng có thể trong quá trình tro hóa một vài nguyên tố dạng vết bị thất thoát. Còn chắc chắn là các nguyên tố dạng vết như: B, Hg, Se và các halogen thì bị thất thoát (bay hơi) trong quá trình tro hóa. Các nguyên tố dạng vết đang quan tâm khác không hề bị thất thoát trong quá trình tro hóa than tại nhiệt độ bằng hoặc nhỏ hơn 500 °C.

Trong tiêu chuẩn này không nêu các phương pháp cụ thể. Trách nhiệm thuộc về các nhà phân tích hóa phải sử dụng các qui trình đã được đánh giá bằng các phép phân tích CRMs thích hợp (tức là than và tro than). Rõ ràng khẳng định được là tất cả các bước của qui trình chấp nhận không gây ra mối nguy hiểm như nhiễm tạp chất hoặc thất thoát các chất phân tích. Vi dụ, nếu các chất phân tích không được thu hồi từ quá trình hòa tan CRM của than hoặc bị thất thoát trong quá trình tro hóa CRM của than, thì qui trình là không phù hợp để tiến hành xác định các chất phân tích này.

...

...

...

THƯ MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] TCVN 5230 (ISO 587), Nhiên liệu khoáng rắn - Xác định clo dùng hỗn hợp Eschka.

[2] ISO 11722, Solid mineral fuels - Hard coal - Determination of moisture in the general analysis test sample by drying in nitrogen (Nhiên liệu khoáng rắn - Than đá - Xác định độ ẩm trong mẫu phân tích chung bằng phương pháp làm khô trong nitơ).

[3] TCVN 7986 (ISO 11723), Nhiên liệu khoáng rắn- Xác định asen và selen - Phương pháp hỗn hợp Eschka và phát sinh hydrua.

[4] TCVN 7987 (ISO 11724), Nhiên liệu khoáng rắn - Xác định tổng flo trong than, cốc và tro bay.

[5] TCVN 7984 (ISO 15237), Nhiên liệu khoáng rắn - Xác định tổng hàm lượng thủy ngân trong than.

[6] TCVN 7985 (ISO 15238). Nhiên liệu khoáng rắn - Xác định tổng hàm lượng cadimi trong than.

[7] AS 1038.10.3 Coal and coke - Analysis and testing - Determination of trace elements - Coal and coke - Determination of boron content - ICP-AES method (Than và cốc - Phân tích và thử nghiệm - Xác định các nguyên tố dạng vết - Than và cốc - Xác định hàm lượng bo - Phương pháp ICP-AES).

[8] AS 1038.14.1, Coal and coke - Analysis and testing - Determination of trace elements - Coal and coke - Determination of boron content - ICP-AES method (Than và cốc - Phân tích và thử nghiệm - Xác định các nguyên tố dạng vết - Than và cốc - Xác định hàm lượng bo - Phương pháp ICP-AES).

...

...

...

[10] ASTM D 6357-00a, Test methods for determination 01 trace elements in coal, coke & combustion residues from coal utilization processes by inductively coupled plasma atomic emission, inductively coupled plasma mass, & graphite furnace atomic absoption spec (Phương pháp xác định các nguyên tố dạng vết trong than, cốc và cặn đốt, sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ phát xạ nguyên tử plasma, quang phổ khối plasma và quang phổ hấp thụ nguyên tử lò graphit).

[11] ASTM D 6414-01, Standard test method for total mercury in coal and coal combustion residues by acid extraction or wet oxidation/cold vapour atomic absoption (Phương pháp xác định tổng thủy ngân trong than và cặn đốt than bằng phương pháp chiết xuất bằng axit hoặc oxy hóa ướt/hấp thụ nguyên tử hơi-lạnh).

[12] ASTM D 6722-01, Standard test method for total mercury in coal and coal combustion residues by direct combustion analysis (Phương pháp xác định tổng thủy ngân trong than và cặn đốt than bằng phương pháp đốt trực tiếp).

[13] CEN/TS 15297, Solid mineral fuels - Determination of minor elements (Nhiên liệu khoáng rắn - Xác định các nguyên tố yếu).

[14] Fardy J.J. McORIST, G.C. and FARRAR, Y.J. The analysis of coal and flyash for trace elements and natural radioactivity, Proceedings Australian Coal Science Conference, Churchill, 3 to 5 December 1984, pp.159 to 160 (Fardy J.J. McORIST, G.C. and FARRAR, Y.J. Phương pháp phân tích than và tro bay xác định các nguyên tố dạng vết và phóng xạ tự nhiên, Trích từ Hội nghị Khoa học của Úc về Than, Churchill, 3-5/12/1984, trang 159-160)

[15] Swaine, D.J. Trace elements in coal. Butterworths, London, 1990

[16] Wang, J., NAKAZATO, T., SAKANISHI, K„ YAMADA, O., TAO, H. and SAITO, I. Microwave digestion with HNO₃/H₂O₂ mixture at high temperatures for determination of trace elements in coal by ICP-OES and ICP-MS, Analytica Chimica Acta, 514(1), 2004, pp. 115 to 124 (Wang, J., NAKAZATO, T., SAKANISHI, K., YAMADA, O., TAO, H. và SAITO. I. Nung bằng lò viba với hỗn hợp HNO₃/H₂O₂ tại nhiệt độ cao để xác định các nguyên tố dạng vết trong than bằng phương pháp ICP-OES và ICP-MS, Analytica Chimica Acta, 514(1), 2004, trang 115-124).